【干货分享】解密点突变:三种常见构建方法全解析

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点突变(point mutation)是突变的一种类型,在遗传材料DNA或RNA中,会使一个碱基核苷酸替换成另一种核苷酸。通常这个术语也包括只作用于单一碱基对的插入或删除。

广义上,点突变可以是碱基替换,单碱基插入或碱基缺失;狭义上,点突变也称作单碱基替换(basesubstitution)。碱基替换又分为转换(transitions)和颠换(transversions)两类。

点突变在多个领域发挥作用,在基础科研研究中,顺利获得引入特定点突变,研究基因或蛋白质的功能域;在研究疾病机制和模型构建上,可以重现驱动突变,探索肿瘤发生或耐药性;在药物开发和筛选领域,可以做药物敏感性测试,筛选针对特定突变的候选药物。

常见的点突变构建方法有以下三种:

01
碱基编辑器

碱基编辑系统主要基于融合的脱氨酶类型分为两大类:胞嘧啶碱基编辑器(CBE)和腺嘌呤碱基编辑器(ABE)。

CBE系统顺利获得融合胞嘧啶脱氨酶,可在不引起DNA双链断裂(DSB)的情况下,将靶位点范围内的胞嘧啶(C)脱氨基转化为尿嘧啶(U),最终经DNA修复或复制实现C→T(或C→G)的碱基转换。

而ABE系统当融合蛋白在sgRNA的引导下靶向基因组DNA时,腺嘌呤脱氨酶可结合到ssDNA上,将一定范围内的腺嘌呤(A)脱氨变成肌苷(I),I在DNA水平会被当做G进行读码与复制,最终实现A-T碱基对至G-C碱基对的直接替换。

碱基编辑器的优缺点:碱基编辑器不需要依赖DNA双链断裂(DSB),所以突变效率较高。由于脱氨酶无特异性,可能导致PAM(4-7位)附近碱基无差别突变。碱基替换种类较少,无法任意转换碱基。

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02
HDR同源重组

①RNP法是将gRNA和Cas9蛋白在体外形成RNP复合物,再与单链Oligo共转染进细胞,由RNP复合物对基因组靶点进行识别与切割,再以单链Oligo为模板进行同源重组修复,实现基因点突变。这种方法适用性广,编辑效率高,流程简单,项目周期短。

②质粒抗性法是使用gRNA和Cas9共表达的质粒,与Donor质粒一起共转染细胞。Donor质粒两条同源臂中间构建了一个两端带有loxp重组位点的抗性基因表达盒,目标点突变则顺利获得同源臂引入。这种方法受突变点位置的限制较小,顺利获得抗性筛选,可以提高阳性率。

③AAV-Donor法是以AAV作为载体带入Donor模板进行同源修复。AAV基因组是游离的DNA单链,而且在细胞内可以保留较长时间,可以大幅提升同源重组效率。这种方法适用于悬浮细胞等难转染的细胞系。

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03
先导编辑点突变

Prime Editing能够实现在不依赖DNA双链断裂(DSB)和外源供体DNA模板的情况下,实现靶向性的点突变、小片段插入或缺失。

Prime Editing的基本原理:第一时间,pegRNA中的spacer结合编辑链,使pegRNA+ncas9-RT定位于基因组上;随后,nCas9发挥其单链切割功能,在非靶向链上产生切口;接着,PBS与DNA模板结合,逆转录酶以PBS为引物,RTT为模板,合成编辑链;此时这时切口上出现2种不同的序列,一条是带有目标突变的DNA,一条是原DNA链,这2条链竞争性的结合在靶向链上,形成3’或5‘flap;最后,若带有目的突变的DNA链结合在靶向链上,则出现DNA互补不配对的情况,此时进行错配修复机制,将DNA链修复为目的编辑序列或原来的序列。

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与碱基编辑器(BEs)相比,PrimeEditing具有更广泛的编辑能力。BEs只能实现4种碱基转换(如C→T、A→G等),而PE可以完成全部12种碱基变化,包括转换、颠换、插入和缺失,且编辑精度更高。此外,当需要多碱基编辑或目标位点超出BEs的编辑范围时,PE更具优势。

传统的同源定向修复(HDR)虽然理论上可以实现任意编辑,但它依赖DNA双链断裂(DSB),容易引发NHEJ修复,导致大量非预期的插入/缺失(indels)。相比之下,PE无需依赖DSB,因此编辑产物的纯度更高,副产物更少,在精准基因编辑中表现更优。

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优缺点对比

点突变作为基因研究领域的重要突变类型,在疾病机制解析和治疗方案开发中发挥着不可替代的关键作用。上文详细介绍了三种点突变构建方法的基本原理及其各自的优缺点,希望能为相关研究提供有价值的参考。



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